胚胎工程

胚胎工程是指對動物早期胚胎或配子所進行的多種顯微操作和處理技術。包括體外受精、胚胎移植、胚胎分割移植、胚胎幹細胞培養等技術。胚胎工程的許多技術，實際是在體外條件下，對動物自然受精和早期胚胎髮育條件進行的模擬操作。

基本介紹

• 中文名：胚胎工程
• 外文名：Embryo engineering
• 定義：挖掘動物的繁殖潛力 種族延續

基本定義

胚胎工程的定義

這些技術進一步挖掘動物的繁殖潛力，為優良牲畜的大量繁殖，稀有動物的種族延續提供有效的解決辦法。在畜牧業和製藥業等領域發揮重要的作用，具有光明的套用前景。

前期準備

生殖細胞的發生和受精

概述

哺乳動物有性生殖和發育的概述

一、實例：人的生殖發育過程

二、有性生殖和發育的四個階段：

⒈有性生殖

①配子形成

②受精作用

⒉個體發育

①胚胎髮育

②胚後發育

配子形成

配子形成——精子和卵細胞的發生

一、精子的發生（精原細胞的減數分裂）

⒈時機：從雄性動物的初情期（相當於人的青春期）開始，到生殖機能衰退

⒉場所：睪丸的曲細精管內

⒊過程：

第一階段：位於曲細精管管壁的精原細胞進行數次有絲分裂，產生大量精原細胞，其中部分精原細胞經過染色體複製和其他物質的合成，進一步形成初級精母細胞。

第二階段：初級精母細胞連續進行兩次分裂，產生四個精細胞

第三階段：圓形的精子細胞經過變形，其中細胞核變為精子頭的主要部分，高爾基體發育為頭部的頂體，中心體演變為精子的尾，線粒體聚集在尾的基部形成線粒體鞘。同時，細胞內的其他物質濃縮為球狀，叫做原生質滴，隨精子的成熟過程向後移動，直到最後脫落。對於多數家畜來說，精子在睪丸內形成的時間為兩個月左右。

⒋產物：精子

形態：形似蝌蚪，分頭、頸和尾三部分

長度在幾十微米到幾百微米之間（不同種生物精子長度不同）

結構：頭部頂端有頂體（由高爾基體發育而來）

頭的主要部分是細胞核

尾的基部有線粒體聚集形成的線粒體鞘

細胞內的其他物質濃縮為球狀，叫做原生質滴

特性：尾部能夠劇烈擺動，使精子獲得運動能力

二、卵子的發生（卵原細胞的減數分裂）

⒈時機：卵泡在胎兒時期形成，從初情期開始有卵子成熟

⒉場所：主要在雌性的卵巢中完成

⒊過程：

卵子的發生是在雌性動物的卵巢內完成的，動物的胚胎在性別分化以後，雌性胎兒卵巢內的卵原細胞，就通過有絲分裂的方式不斷增加其數量，並進一步演變為初級卵母細胞，這時，它被卵泡細胞包圍，形成卵泡。初級卵母細胞需經過減數分裂才能變為成熟的卵子。減數第一次分裂是在雌性動物排卵前後完成的，其結果產生一個次級卵母細胞和第一極體，進入輸卵管，準備與精子受精。減數第二次分裂是在精子和卵子結合過程中完成的，次級卵母細胞經分裂產生一個成熟的卵子和第二極體。當在卵黃膜和透明帶的間隙可以看到兩個極體時，說明卵子已經完成受精，這是判斷卵子是否受精的重要標誌。

哺乳動物卵泡的形成和在卵巢內的儲備，是在出生前完成的。

⒋產物：卵子和第一、第二極體

結構：卵子中有營養物質豐富的卵黃（細胞質）

卵子外有由卵丘細胞構成的放射冠

受精

一、準備階段

1.受精：精子與卵子結合形成合子的過程

2.精子的準備——精子獲能

成熟的精子在雌性動物生殖道內發生相應生理變化，使得精子獲得與卵細胞結合的受精能力的過程

3.卵子的準備

卵子從卵巢排出進入輸卵管，經過2～3小時後才具備與精子受精的能力

二、受精階段

⒈實例：人的受精過程

⑴精子穿越放射冠和透明帶（頂體反應、透明帶反應）

⑵進入卵黃膜（精卵識別、形成受精膜、卵黃膜封閉）

⑶原核形成（精子尾部脫落形成雄原核、卵子完成減數第二次分裂形成雌原核）

⑷配子結合（雌雄原核融合，形成一個含二倍染色體的合子）

⒉特徵

⑴受精部位：輸卵管的膨大部位

⑵適宜時間：排卵後6～24h

⑶受精條件：精子密度足夠大是精卵相遇及融合的前提條件

⑷融合特點：一個卵細胞只與一個精子融合形成受精卵

基本過程

胚胎髮育的基本過程

胚胎髮育

一胚胎髮育過程（蛙的受精卵發育）

二特徵

⒈卵裂期細胞數量不斷增加，但胚胎的總體積並不增加，或有所縮小

⒉桑椹胚時期及其以前的細胞，每一個細胞都具有發育成完整胚胎的潛能，屬於全能細胞。當胚胎細胞數目達到32個左右時，胚胎形成緻密的細胞團，形似桑葚，叫做桑葚胚（morula）。

⒊囊胚中有一個含有液體的囊腔——囊胚腔，細胞開始出現分化，個體較大的細胞稱為內細胞團（inner cell mass，ICM），將來發育成胎兒的各種組織。沿透明帶內壁擴展和排列的個體較小的細胞，稱為滋養層細胞，將來發育成胎盤和胎膜。隨著胚胎的進一步發育，胚胎內部出現了含有液體的囊胚——囊胚腔，這時的胚胎叫做囊胚（blastocyst）。囊胚進一步擴大，會導致透明帶的破裂，胚胎從其中延展出來，這一過程叫做孵化（hatching）。

⒋原腸胚由三個胚層構成，內細胞團表層細胞形成外胚層，下方的細胞形成內胚層。三個胚層在後期的發育過程中，分化成不同的組織器官，在原腸胚期出現一個新的空腔——原腸腔（gastrula）

⒌著床後，胚胎通過胎盤與母體相連，從母體獲得生長發育所需的營養

6.胚胎期細胞分化程度達到最大，而且細胞分化後不可逆轉。

胚後發育

實例：人出生後的發育分期

分 期 年 齡 主 要 發 育 特 征

嬰兒期 新生兒

初期幼兒期 出生後

1個月 呼吸等功能開始

循環的調節

中期幼兒期 1月～1歲 生長發育迅速、器官功能成熟

後期幼兒期 1～3歲 生長減速、步行和隨意運動發展

學 前 期 3～6歲 生長慢、神經調節發展、學習發展

童 年 期 女性6～10歲

男性6～12歲 以一定速度生長；動作技能熟練；智慧型發展

青春前期 女性10～12歲

男性12～14歲 生長速度加快；體重增加快；

內分泌初期分化

青春中期 女性12～14歲

男性14～16歲 出生後最大生長期；

第二性徵出現

青春後期 女性14～18歲

男性16～20歲 生長降速或停止，肌肉增長；生殖器迅速發育，性成熟

套用前景

胚胎工程的技術套用及前景

胚胎移植

一、定義：將雌性動物的早期胚胎，或者通過體外受精及其他方式得到的胚胎，移植到同種的、生理狀態相同的其他雌性動物的體內，使之發育成新個體的技術。

二、意義：

⒈充分發揮雌性優良個體的繁殖潛力

⒉縮短雌性優良個體本身的繁殖周期

⒊提高繁殖效率，後代數是自然繁殖的十幾倍到幾十倍

三、基本程式（見右圖，點擊參考資料連結）

胚胎移植的基本程式

體外受精

一卵母細胞的採集和培養

⒈促排卵法（超數排卵）：用促性腺激素處理，促雌性動物排卵，從輸卵管中沖取卵子

⒉直接獲取法：A.從已屠宰母畜的卵巢中採集卵母細胞，在體外經人工培養為成熟的卵子

B.從活體動物的卵巢中吸取卵母細胞，在體外經人工培養為成熟的卵子

二精子的採集和獲能

⒈精子的採集

⑴假陰道法：利用仿生學的方法，模仿發情雌性動物陰道環境設計的裝置，他能滿足雄性動物交配時對壓力、溫度、濕滑度的要求，同時配有與采精動物相適應的活台畜。

⑵手握法：不需要任何設備，徒手或戴上乳膠手套，直接把握雄性動物的陰莖，給予適當的壓力和刺激，就可引起射精。這種方法只適用於豬和犬等體型較小，易於控制的家畜。

⑶電刺激法：將動物麻醉後，用特製的電極伸入動物的直腸，直接刺激位於腰薦部的射精中樞神經，引起射精。這種方法多用於野生或經濟動物。

⒉精子的獲能

⑴培養法

⑵化學誘導法

三受精

⒈獲能的精子和培養成熟的卵子，在受精溶液中完成受精過程

⒉在人工條件下，將精子注入到成熟的卵子中，完成人工授精

相關知識

發展史

輔助生育技術的發展史

哺乳動物體外受精技術的研究由來已久，早在1890年，英國胚胎學家Walter Heape和外科醫生Samual Ruckley，將安哥拉白色長毛兔兩個4-細胞胚胎植入有色短毛雌兔子宮內，生下的6隻幼兔中有2隻白色長毛兔。宣布胚胎移植的首次成功。1947年，美籍華人張明覺將兔受精卵保存在5℃-7℃，移植後能發育成正常的幼兔。這些研究均是將體內受精卵進行移植，而體外受精卻相當困難。1951年，張明覺和Austin觀察到哺乳動物的精子獲能現象，即精子有能力穿入卵之前，必須經歷一系列的生理，生化改變。這樣張明覺在其研究的基礎上，並結合Heape的胚胎移植技術誕生第一隻體外受精—胚胎移植的幼兔。這些開創性的研究為人類體外受精—胚胎移植奠定了基礎。

20世紀60年代，人類對卵及卵子成熟的研究積累了豐富的知識。隨著腹腔鏡發明並將其套用於取卵手術中。1977年Steptoe和Edwards利用腹腔鏡取卵，在體外受精，並當受精卵發育到8-Cell胚胎移植入母體子宮內獲得妊娠。並於1978年7月，在英國劍橋大學誕生了世界首例試管嬰兒路易絲.布朗(Louice Brown)即我們現在一般所說的試管嬰兒。1985年4月台灣首例試管嬰兒誕生。1986年12月，香港首例試管嬰兒誕生。我國首例試管嬰兒於1988年3月北京醫科大學三醫院誕生。

胚胎分割

一定義：採用機械方法將早期胚胎切割成2等份、4等份或8等份等，經移植獲得同卵雙胎或多胎的技術。

二原理：初期胚胎的細胞具有很高的全能性，能夠發育成完整個體。來自同一胚胎的後代具有相同的遺傳物質，擁有相同的優良性狀。

其他用途

幹細胞的研究

胚胎幹細胞的研究及套用

1999年底，在美國《Science》（《科學》雜誌）公布的年度世界十大科學成果評選中，“幹細胞研究的新發現”榮登十大科學成果之首，而舉世矚目的、耗資巨大的人類基因組計畫只居第二位，足見幹細胞研究的重要性。

ES細胞技術是一個發展空間極為廣闊的研究領域，很多亟待解決的問題，將成為當前乃至未來人們攻堅的熱點。

一、胚胎幹細胞（ES細胞）的來源和主要特點

（1）ES細胞來源於早期胚胎，是從早期胚胎細胞中分離出來的。

（2）體積較小，細胞核大，核仁明顯，具有胚胎細胞的特性；

（3）具有發育的全能性，可分化為成年動物任何一種組織細胞。

（3）在體外培養條件下，ES細胞可不斷增殖而不發生分化，可進行冷凍保存，也可以進行某些遺傳改造。

二、ES細胞的主要用途

（1）可用於研究哺乳動物個體發生和發育的規律，也是在體外條件下研究細胞分化的理想材料。

（2）ES細胞通過誘導分化可產生新的組織細胞，用於治療人類的組織損傷和某些頑症。

（3）可通過ES細胞的體外誘導分化，定向培育人造組織器官，用於器官移植，解決供體器官不足和移植後免疫排斥的問題。

動物育種

利用胚胎移植繁育馬廘

馬鹿是國家二級保護動物，隨著種群、數量的減少，馬鹿出現種群退化、近親繁殖等現象，胚胎移植是解決這一問題的有效方法之一。

新疆奇台林場馬鹿養殖基地是中國唯一的天山馬鹿種源保護與繁育基地。 2004年6月19日，新疆奇台林場的馬鹿養殖基地共降生7頭胚胎移植的小馬鹿，其中5頭存活。

據奇台林場場長馬明奎介紹，與其它小馬鹿相比，胚胎移植的小馬鹿個頭明顯較大、身體更為強壯、跑跳等能力更強。

人工授精

人工授精技術（體內）

（一）輸精前的準備

1、輸精器的消毒：輸精器預先用清水或2%的碳酸鈉溶液洗淨，再以蒸汽消毒或用烘乾箱乾燥滅菌。

2、精液的準備：根據選配計畫，選擇受配母牛應採用的公牛精液。臨輸精前，將確認的細管或顆粒精液進行快速解凍（40攝氏度，必要時做活力檢查），將輸精器用蒸餾水沖洗2-3次，再裝入精液。

3、母牛的準備：準確鑑定發情母牛，並將受配母牛保定在輸精室配種架內（也可在牛舍內就地配種）。

（二）輸精方法：人工授精常用直腸把握子宮頸法和開膣器法。現在大多使用前一種方法，它比開膣器法可提高受胎率10%以上，後一種方法，現已不用。

相關操作

直腸把握法

操作要領：輸精前，輸精者須帶上塑膠或橡膠長臂手套，並在手套外面塗上潤滑劑（肥皂液等），右手持輸精器。然後左手指合攏呈圓錐狀，以螺旋鑽似的動作，從肛門緩慢地插入直腸內，先將直腸的宿糞掏出，用清水洗淨肛門、會陰及陰門周圍，然後再次插入直腸內，隔直腸把子宮頸握住（有軟骨樣感覺），然後左手臂往下壓一下，使陰門張開，或者助手用手指撥開陰門。右手持輸精器由陰門插入，先向上傾斜插入一段（約5厘米左右），以避開尿道口，而後平插，當輸精器尖端抵達子宮頸外口時，在左右手的協調作用下，讓輸精器輕輕越過子宮頸，即插到子宮頸內口與子宮體連線部，然後注入精液。注入時將輸精器稍微往回拉一點，以避免肌肉堵塞尖端出口。注入後將輸精器拉出子宮管再鬆開授精器膠球，以免吸回精液。實踐證明，這種深部授精，精液不易倒流，可以提高受胎率。這是當今國內外普遍採用的一種授精方法。